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一、前言
從1930 年初永久磁石即為民生、國防工業上一項不可欠缺的材料。時至今日，資訊及消費性電子產品的普及化，永久磁石的高性能化扮演著不可磨滅的角色。永久磁石的發 展歷程如圖 1 所示，由最早的麻田散鐵、到 30 年代的 Alnico（鋁鎳鈷），由於其價格高，矯頑磁力(Hc) 低，無法充份利用其高磁能積。50 年代Ferrite（鐵氧磁體）磁石問世，由於其價廉且矯頑磁力高，至今仍為用量最大的磁石材料。70 年代由於 SmCo（釤鈷）磁石磁性的重大突破，更將永久磁石材料帶入一個「輕、薄、短、小」的紀元，它在民生工業的各種高功率音響喇叭、耳機、麥克風；在機電工業 的各種特殊馬達，發電機、計數器，強力吸盤，無接觸軸承，瓦特計、繼電器；在國防工業的雷達、微波通信機；在醫學工程上的助聽器，人工心臟之驅動器，人造 牙齒之定著器；在儀器工業的電腦，磁性分離器，電子槍等，都佔有舉足輕重的地位。然而，由於釤、鈷原料取得不易，且價格高昂，各國研究人員仍積極尋覓其它 價廉質優且易製作之的稀土永久磁石。
稀土永磁材料以釹鐵硼系及釤鈷系兩大類為代表。其中1983年日本住友及美國通用汽車公司同時宣佈製成 (BH）max大於36 MGOe 之永磁之王的第三代稀土永磁材料---釹鐵硼(NdFeB)燒結及膠結磁石，引起全世界的關注。1986 年住友將燒結磁石往上推進到(BH)max 等於50 MGOe 之巨，到1998年更將磁性提升到55.8 MGOe之世界記錄。商業上，用釹取代釤的優點在於稀土礦中釹藏量約為釤藏量之10 倍，價格較低廉，而鐵取代鈷的優點更顯而易見。由於釹鐵硼磁石的單位能積價格低廉，原料取得容易；以及應用上體積縮小，市場上具有相當大的發展潛力。到 1999年燒結NdFeB及膠結型磁石年總產量已分別達4000噸與1500噸，磁石年總產值則分別為200億及80億台幣之巨，是本世紀末最具應用價值 的功能性材料之一。此豐碩的成果主要得自無數物理學家在新材料長期的探索，以及材料學家在製程上不斷的精進與改良。
在我們所熟知眾多磁性體材料 中，僅具鐵磁性及陶鐵磁性的材料才擁有真正的強磁性。因此，具有實用價值的永久磁石都不出上述二類。具有鐵磁性及陶鐵磁性的物質都會有磁滯曲線 (Hysteresis loop)的產生。而磁滯曲線形狀及大小即代表著磁石材料的優與劣。惟有充份瞭解磁滯曲線的意義，才能有效地發揮它們的特性或作有效的改進。一般表現磁滯 曲線有二種圖型：一為 B-H曲線，另一為 4pM-H 曲線，如圖 2所示。幾個重要指標包括 B-H曲線中的殘留磁束密度Br、矯頑磁力 Hc 或 bHc、磁能積(BH)max；4pM-H 曲線中的最大感應磁化量4pMs、殘留感應磁化量4pMr、本質矯頑磁力iHc。其中矯頑磁力Hc的大小可作為軟磁與硬磁材料的分野。當Hc< 20> 200 Oe 時，材料屬於硬磁或稱永久磁石；而 20<200 br="8-9.5" hc="7.0-9.5" ihc="15-30" max="17-22" br="12" ihc ="13" max="33" 4pms="16" ha="67" tc="312">25 kOe)，對NdFeB燒結磁石應用於200 oC以上有相當明顯之助益。以適量的Co來取代Fe能夠提高磁石之居理溫度，對提升磁石之高溫使用範圍亦有幫助。
2.3膠結稀土永磁
所 謂膠結稀土永磁就是把稀土永磁材料粉末與樹脂，塑料或低熔點合金膠結劑均勻混合，然後用壓縮、擠出或射出成型方法製成的一種複合永磁材料。現在膠結磁石的 應用領域不斷擴大，用量成長很快，其速度超過其他何一種永久磁石由於這一材料既有塑料固有的特性又有很高的磁性能，正不斷地被應用於新的領域，主要的應用 領域列於表4。
表4. 膠結稀土永磁之應用領域。
應用領域 用 途
旋轉儀器、裝置 各種小型精密電機（例如步進電機、 鐵心電機、 電刷電機等）、小型發電機、定時器轉子、磁軸承等
音響器械 揚聲器、頭戴耳機、耳塞機、微音器（送話器）、拾音器、電磁蜂鳴器
計測通訊 感測器、繼電器、行式印刷裝置、接點元件
儀器裝置 儀表類（速度表、轉速表、安培計、電壓表等）、行波管等
其他機械 磁性彈簧、磁性軋輥、液面感測器、磁性快門
元件 除油污器、磁性聯軸節等
日用品 門鎖、玩具、磁性治療飾品、體育用具等
以下分釹鐵硼及新型稀土永磁合金三大系列膠結磁石及其材料特性作介紹：
2.3.2 釹鐵硼膠結磁石
由 於其具有易薄形化、成品精度高及量產性高等優點，使得其最近幾年之年成長率皆遠超過NdFeB燒結磁石而達到約 15%。稀土膠磁最主要之應用為高級精密小馬達，用於各種資訊、音響、家電產品上。等方性NdFeB膠磁能被應用於小型馬達，有以下幾項理由：(a)具有 約9-10MGOe之高磁能積，有助於電子機器用馬達之小型化 (原先多使用磁能積為3-4MGOe之鐵氧磁石)。 (b)能製作高精度之環狀磁石，使馬達內之間隙縮小並大幅提昇其間之磁束密度。(c)適當之殘留磁束密度(Br)與本質矯頑磁力(iHc)，使磁石著磁能 力得以調變，並達到多極著磁化。(d)等方性磁粉不必經由磁場配向即可成型，成型設備及模具投資便宜。
2.3.2.1. 釹鐵硼 ( NdFeB )MQ磁粉及磁石
鐵 基稀土永磁材料的研究首先從研究R-Fe合金開始，70年代初期用濺射法得到非晶薄膜TbFe2，經處理後顯示出來磁特性。後來又研究了快淬R-Fe系合 金（R=Nd，Pr，Sm，Tb等）及La-Tb-Fe-B合金的磁性，但這些非晶態的合金結晶化以後的磁性能都不變。1983年美國GM用單銅輪熔融旋 淬法製備釹鐵硼合金，並用此種合金碎片製造磁石，取名為Magnequench，簡寫為MQ磁石，使熔融旋淬稀土鐵基永磁進入實用階段。下面簡要介紹釹鐵 硼 MQ磁石的製造方法。首先是製備釹鐵硼 MQ粉末。依成份不同主要產品分成A、B、C、D、N、O六種，特性如表5，其中A、C磁性相近，屬高iHc產品；B、D磁性亦相近，但iHc大小適中、 易於著磁，是目前最常使用的材質。以上述磁粉所製作之產品為等方性磁石，由於製程簡單、磁性佳且不需特殊的模具設計等優點，目前是稀土膠磁中用量最大的材 質。因釹較釤易於氧化，故磁粉的表面處理和磁石之表面塗裝成為不可或缺的步驟。表面塗裝的方式可分為噴塗和電著兩種，而電著是最優良的塗裝方式，由於塗層 均勻，尺寸精度及耐蝕能力皆佳，塗膜厚度以在15~30 mm間較適當。
表5. 六種不同成份NdFeB MQ磁粉及其特性比較。
種 類 Br (kG) iHc (kOe) (kOe) Temp coeff. of Br, a,(%/ oC)(25 oC -100 oC)
MQP-A 7.60 15.0 -0.130
MQP-B 8.20 9.0 -0.105
MQP-C 7.55 16.0 -0.070
MQP-D 8.00 10.5 -0.070
MQP-N 8.00 9.5 -0.130
MQP-O 7.45 12.5 -0.130
2.3.2.2.等方性高磁能積NdFeB磁粉
如 前所述目前商用NdFeB膠磁乃採用快速冷卻法製成之薄帶而加以粉碎之磁粉,稱之為 NdFeB MQ磁粉，其因薄帶內包含著30-60nm左右之等方性NdFeB細晶粒，根據Stoner & Wohlfarth 之理論，一個具單軸異方性之磁性材料當其晶粒接近單磁區大小且彼此間又完全不具交互作用時，該材料之殘留磁束密度 (Br) 最高值僅能達到其飽和磁化量 (4πMs) 之一半。亦即傳統單相 NdFeB MQ (Melt Quench) 磁粉之最大殘留磁化 Br 將不會超過 8 kG (Nd2Fe14B 之 4πMs 為 16 kG)，最高磁能積 (BH)max 也只能達到 16 MGOe 而已。但因所採用之磁粉成份都比Nd2Fe14B有較高之Nd及B，因此其Br及磁能積亦都分別比8 kG及16 MGOe來得低，事實上商用 NdFeB MQ-A 磁粉之最佳磁性為 Br = 7.8 kG, iHc = 15 kOe, (BH)max = 12.5 MGOe。要超越以上磁性目前已被証實有二個方法，即殘留磁化強化(Remanence enhancement)及複合納米晶法(Nanocomposites)。
2.3.2.2.1 殘留磁化強化法
〈Remanence enhancement〉
此 法乃利用具單軸異方性磁晶間所產生之強交互作用力而協助相鄰磁晶磁化不易受反向磁場作用而轉向，此結果將可使得其殘留磁化超越前面所述之飽和磁化值之一 半。惟其晶粒必須更小晶粒間才會有足夠之交互作用力。若以NdFeB為例其晶粒應達10-20 nm其殘留磁化即有可能超過8 kG。但一般NdFeB MQ之晶粒都在30-60nm間，因此在製作薄帶時可以利用Si、V、Cu、Ga、Zr等元素之少量添加來使晶粒微化以提高薄帶之殘留磁化磁能積，經晶粒 微細化之薄帶被証實其磁能積可達20MGOe以上。
表6. 已被發表之複合納米晶磁性材料之組成及磁性相。
成份 磁性相（軟／硬） 軟磁相之體積比 製備方法 4pMs(T) Br(T) iHc(kA/m) (BH)max(Kj/M3)
Nd4Fe80B20Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5Nd3.5Dy1Fe73Co3GaB18.5Nd5.5Fe66Cr5Co5B18.5Nd3.5Fe91Nb2B3.5Nd9Fe85B6Nd9Fe85B6Nd8Fe86B6Nd7.5Fe87B5.5Nd7Fe89B4Sm7Fe93NxSm8Zr3Fe85Co4NxNd9.7Fe84Mo6.3Nd7.2Fe85Mo7.8NxSm11.67Co58.33Fe30SmCo10 Fe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BAmo-Fe/Nd2Fe14BFe/Sm2Fe17NxFe/Sm2Fe17NxFe/Nd(Fe, Mo)12NxFe85Mo7.8NxFe/SmCo5Co/Sm2Co17 85%25%40%12% RS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+AMA+ARS+AMA+AMA+AMA+AMA+A 1.61.421.371.061.841.121.37 1.201.211.180.861.451.091.101.121.011.281.1270.940.800.850.970.94 191340390610215326485458340252310764207281600318 93.112813696.611593.115815799.514620511848101.181.2
(RS:Rapid solidification; A: Annealing)
2.3.2.2.2 複合納米晶法(Nanocomposites)
等 方性磁粉高性能化之另一種方法，即讓磁粉內擁有一部份體積百分比之高飽和磁化軟磁相(如a-Fe、Fe3B等)與Nd2Fe14B相共存，軟磁相之晶粒被 控制在Nd2Fe14B相之磁壁寬度兩倍(10.4nm)左右時，軟硬磁相間會產生極大的交互作用，此作用力會阻礙軟磁相之磁化不易被反向磁場所反轉而有 助於提高此複合納米晶磁粉之殘留磁化並提高磁能積。
一般製作此複合納米晶磁粉有快速冷卻(Rapid quenched)及機械合金(Mechanical alloying)兩種，所製成之材料必然都是完全等方性。表6. 為目前被發表之複合納米晶磁性材料之組成與磁性相、製作方法及其磁性比較(一些非Nd2Fe14B系薄帶亦列於其中比較)。從表中可以看出有許多系列合金 薄帶都具有超越NdFeB MQ磁粉之磁能積(96 kJ/m3或12 MGOe以上)。惟由於軟磁相的存在其本質矯頑磁力都無法達到MQP-B磁粉之水準(720 kA/m或9 kOe以上)。低的矯頑磁力雖然可以使磁粉容易被完全磁化(或磁石容易著磁)，但卻也限制此類磁粉所製成之膠磁得以被廣泛應用於一些馬達磁石上。而 Fe2B-Fe/ Nd2Fe14B系複合磁粉雖有較高之矯頑磁力，但仍比MQP-B磁粉之9 kOe來得低。圖5. 為MQP-B與F3B-Fe/ Nd2Fe14B系磁粉之磁性回復曲線比較，後者磁粉內之軟磁相磁化因受硬磁相磁化之牽引作用而可作可逆反轉，其機構有如彈簧之作用，因此亦被稱為交換彈 性效應磁石(Exchange-spring-magnet)。
2.3.2.2.3. 易著磁性NdFeB磁粉
永久磁石式步進馬達之轉子 磁石為配合磁性旋轉解碼〈Magnetic encorder〉之需求，每極之間必須維持約1mm之距離，在此情況下，以每極一圈線圈並施以高脈衝磁場磁化的方法有其困難度與限制，因此必須開發出低 磁場即能獲得高磁化的硬磁材料。這包括了前述的 a-Fe/ Nd2Fe14B (如Nd8Fe86B6)及Fe3B/ Nd2Fe14B(如Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5)複合納米晶磁粉。圖6. 為幾種稀土膠磁材料在極低的磁場400 kA/m(5kOe)充磁後之磁性比較，從圖中可看出Nd8Fe86B6及Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5都比NdFeB HDDR及等方性NdFeB MQP-B磁粉有較佳之殘留磁束密度及本質矯頑磁力，其磁性己可達到以800 kA/m以上磁場充磁後磁粉磁性的60%左右，此磁性已可滿足多極化磁石之所需(如掃描器內之馬達磁石)，此類複合納米晶磁石是少數可以在極端低磁場下著 磁的稀土磁石，惟較低的矯頑磁力會因溫度上升而產生較大的不可逆磁損失。以Nb添加於Nd8Fe86B6中不僅可提高矯頑磁力，降低溫度係數卻又不犧牲其 著磁特性。其主要原因乃來自於Nb所造成晶粒的微細化。
2.3.2.2.4. 耐熱性Nd2Fe14B系磁粉
汽車內大部份馬達磁石通常都 要求要能使用到180 oC左右之耐熱度，就膠磁而言，除了樹脂之耐熱性外，磁粉溫度係數 (aＨ)約在 -0.5%／K~-0.6%／K之間，比SmCo系的 -0.3 %／K 還要差。但是等方性磁粉如NdFeB MQ 磁粉的aＨ為 -0.４%／K約為異方性磁石的2/3。又晶粒間較強的交互作用力將可以有效降低 aＨ，而其主要即決定在於晶粒是否足夠微細化。最近，在Nd11.5Fe82.5B6中以Nb取代少量的Fe製成之超冷薄帶，其不可逆減磁率獲得極明顯之 改善，而iHc卻沒有下降 (88~112 kA/m)。此材料所製作之磁石aＨ約為-0.31~-0.35%／K，被認為有可能使用到180 oC 之環境。另外Fe2B／Nd2Fe14B系複合納米晶磁石Nd5.5Fe66Co5Cr5.5B18.5的aＨ為-0.32%／K，iHc為610 kA/m左右亦具有極高之耐熱性。這些磁石未來都可望逐漸被應用到汽車內之馬達上。
2.3.2.2.5. 高矯頑磁力複合納米晶磁粉
前面 已提及隨著軟磁與硬磁相間交換作用力的提升，磁粉之 Br 及 (BH)max 會增加，但iHc ( 或Hcj ) 確會隨之下降。然而提高 iHc 將有助於磁石之應用及較高溫下之使用。本實驗室在低稀含量(9-11 at%)及高硼含量(10-11 at%)之NdFeB合金中，利用少部份的過渡金屬 (Cr) 取代 Fe，可以成功的使半穩定的 Fe3B 相分解出 a-Fe 相(並壓抑 Nd2Fe23B3 )，並形成更多之 2:14:1 硬磁相。又利用少量先前採用之 La 取代一些 Nd 來抑制晶粒之成長，而可獲得僅具 a-Fe 與 (Nd,La)2(Fe,Cr)14B 之兩磁性相合金及少量富鉻相存在於晶界間。由於晶粒獲得細化及單純的兩相使得磁性体內a-Fe與(Nd,La)2(Fe, Cr)14B兩相間之交換作用力增加而提高 Br，僅管 La 與 Cr 的加入都稀釋了一些磁化。又因為晶界間有富鉻相的存在，稍微隔離了晶粒及其對晶界產生之平滑作用而提高了矯頑磁力(iHc)，最佳磁性得以從Br = 8.0 kG, iHc = 5.5 kOe, (BH)max = 10.2 MGOe 提高至 Br = 8.3 kG, iHc = 9.1 kOe, (BH)max = 12.5 MGOe。經以(Nd0.95La0.05)9.5-11Febal.Cr2B10薄帶進行最佳化後更獲得了Br = 8.6-9.7 kG, iHc = 9.1-13.2 kOe, (BH)max = 13-18 MGOe的高Br、超高iHc及超高磁能積之a-Fe/ Nd2Fe14B型複合磁粉。其磁性可超過目前NdFeB MQ磁粉之磁性。圖 7. 為(Nd0.95La0.05)7.5+xFebal.Cr2B10 之去磁曲線比較。又於(Nd0.95La0.05)9.5Fe80-xCoxCr2B10.5以Co取代一部份的Fe達x=10時磁性更可達Br= 10.4 kG, iHc=9.5 kOe, (BH)max=19.8 MGOe之值。其不可逆磁損及溫度係數亦可達到目前商用膠磁粉之水準以上。最近之研究結果證明其它的耐火元素, 如Mo, Ti, V, Nb, 亦和 Cr一樣有相同甚或更佳之效果。
2.3.2.2.6. NdFeB HDDR磁粉(異方性)
等方性磁石之優點如前所述是異方性磁石所無法 完全取代的，而惟一的缺點即為磁性較低，目前異方性之膠磁以SmCo5系(8.5-9.5 MGOe)及Sm2(Co、Fe、Cu、Zr)17系(13-17 MGOe)為主，前者主要以射出型為主，後者主要以壓縮成型為主。表 7. 為稀土膠磁可能使用之各種硬質磁性材料磁特性及其磁能積之理論極限值。其中 (Sm, Zr)(Fe, Co)10Nx有最大的飽和磁化值1.7 Tesla，惟其乃由超急冷(rapid quenched)的方式獲得半穩態的TbCu7結構，只能成為等方性磁石，因而異方性膠磁磁粉還是以Nd2Fe14B系為主。但是Nd2Fe14B之結 晶異方性場為5.6 MA/m (70KOe)，單磁區粒子相當的小(約0.3 mm)非常難以傳統粉碎方式製作那麼細的粉体而不會氧化(甚至於自燃)。因此，如何製作出粉體較粗且又可利用磁場配向之微晶集合體是必要的方法。日本三菱 材料之武下等人則以HDDR方式達到上述之目的，其詳細之過程包括以Nd2(Co, Fe, Ga, Zr)14B系合金經(1) 900-1200 K下通以0.1MPa H2予以吸氫處理(2)在上述處理中2：14：1相分解成NdH2、a-Fe及F2B(3)在900-1200K下將H2從粉體中吸出(4)H2被吸出後 2：14：1相再次形成。一般NdFeB合金所製作之磁粉經HDDR製程後都只具有等方的特性，但很特別的是若合金含有Ga及Zr，在處理過程中合金粉體 被細化，添加的Ga、Zr等元素會成為再形成2：14：1相之成核種子，因此重新形成之2：14：1細磁粉得以保有原先粗粉之方向性，亦即為有用之異方性 磁粉。以此異方性磁粉可製成磁能積21 MGOe之壓縮磁石及16 MGOe之射出型磁石。
表7. 各種稀土膠磁用磁性材料特性及磁能積理論極限值。
化合物 Tc(K) 4pMs(T) Ha(MA/m) (BH)*maxTheoretical (kJ/M3)Real
SmCo5Sm2Fe17N3 988747 1.141.57 2220 259493 96(A)176(A)
Nd2Fe14B(Sm, Zr)(Fe, Co)10Nx 588- 1.601.70 5.66.2 509575 175(A)
Fe65Co35/Sm2Fe17N3SmCo5/Sm2Co17Fe3B/Nd2Fe14Ba-Fe/Nd2Fe14Ba-Fe/SmFe7Nx ----- 2.351.481.601.85- ----- 1090436300(I)400(I)- 164(I)66.1(I)93.4(I)80(I)
( A：異方性；I：等方性)
2.3.3 新型稀土膠磁粉之研究
目前之商用稀土膠磁粉以SmCo5及Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17 及NdFeB MQ系為主，最近幾年新材料之研究被認為最有可能商業化的包括Sm2Fe17Nx及(Sm，Zr)(Fe，Co)10Nx磁粉。
2.3.3.1. Sm2Fe17Nx系異方性磁粉
Sm2Fe17N3 為結晶異方性場相當大之材料，若以磁性來比較，它具有與Nd2Fe14B系HDDR異方性磁粉幾乎並駕其驅的高特性，例如其異方性壓縮磁石磁能積可達 21MGOe，射出磁石磁能積亦可達17MGOe，是相當具有商用價值的新型磁粉，惟由於它在使用時必須先予以微粉作業，而易造成本質矯頑磁力(iHc) 的降低，為防止該現象的發生造成特性上之衰減，而有以Zn粉做為粉體間之結合材料，亦可利用Zn在高溫下先行熔解而覆蓋Sm2Fe17N3磁粉減低其表面 因粉碎所造成之缺陷，iHc因而得以維持較高之值。另外亦有利用真空蒸鍍法在Sm2Fe17Nx微粉上覆蓋薄薄一層Zn，再利用該粉體製成異方性膠磁。有 蒸鍍Zn與未蒸鍍Zn之磁粉iHc經時變化比較，前者在120 oC 的大氣之下長時期仍然保持穩定之iHc，而後者則迅速衰退。本系列磁粉在磁性上是具有極高商用潛力的材料，惟在製作磁粉上必須先製成Sm2Fe17粉體再 予以適量滲氮處理使N原子擴散到晶胞內之八面體中心，因為N的作用使其延晶胞C軸方向產生磁異方性及極高之飽合磁化亮。在大量生產方面是比先前NdFeB 系HDDR及快速冷卻法(MQ)來得不經濟，其是否能被商業化有待考驗。
2.3.3.2. (Sm，Zr)(Fe，Co)10Nx
此系合 金粉為目前所開發出之磁石合金中具有最高飽和磁化量(1.7 T)之材料 (如 表7. 所列)，其製作方法與Sm2Fe17Nx稍有差異。首先是利用快速冷卻法製成(Sm，Zr)(Fe，Co)10之合金薄帶，再經過退火獲致較佳之晶粒，最 後再予滲氮`理以產生足夠之iHc。其主相為半穩定的TbCu7結構，磁粉中包括了許多納米級的等方性微晶組織，有別於Sm2Fe17Nx的單結晶單磁區 磁粉，最終只能作成等方性磁石，由於其本身的高飽和磁化及微晶間之交互作用力而能獲致高磁能積。(Fe，Co)/(Sm，Zr)之比例 (Z) 對該磁粉之磁特性有明顯之影響，如 圖8. 所示，在 Z=9 左右可得到最佳之Br及(BH)max值，但iHc只能達7KOe左右。其中(Sm0.75Zr0.25)(Fe0.7Co0.3)9Nx之磁性質為Br =1.06 T，iHc=7.1 kOe，(BH)max=18.5 MGOe，與 a-Fe/Nd2Fe14B 複合納米晶磁粉之磁性相當。
三、國內之研究
1. 研究機構:
1977 年由金屬工業研究所開始研究Sr系異方性Ferrite及FeCrCo磁石。1984年起由中科院材發中心及工業技術研究院材料研究所開始研究 SmCo5、 Sm2TM17及NdFeB磁石等稀土磁石技術。而材料,機械及光電研究所分別從1988年起研究磁路分析及應用設計技術，時至今日僅賸下磁路分析及應用 設計技術在研究機構繼續進行著。
2. 大學:
清大材料所在稀土永磁相關之研究從以前到目前包括了Sm2TM17 、NdFeB 、Sm2Fe17Nx、 NdFeB nanocomposites及NdFeB & ferrite thin films。最近幾年主要以NdFeB nanocomposites薄帶及 NdFeB & ferrite thin films為主。逢甲大學材料所之研究則包括了Sm2TM17、 SmCox 磁粉、Sm2Fe17Nx及 NdFeB thin films。台大材料所則以Sr-ferrite、 MnAlC & PtFe thin films 為主。成大材料所亦以磁膜研究為主包括了PtCo & PtFe thin films等。中正大學物理所之研究範圍包括了1:12 型nitride、 Sm2Fe17Nx、NdFeB & Sr-ferrite thin films、新型高性能 a-Fe/Nd2Fe14B 型複合磁粉以及高磁能積及高溫型燒結NdFeB磁石，最近幾年則以後兩者之研究主題為重點。總体而言，目前以納米晶稀土磁粉之研究僅賸清大材料所及中正物 理所兩處。而高性能燒結磁石之研究則僅中正物理所一處。國人在高性能稀土永磁材料之研究所投入之人力大約僅佔中國大陸之5%而已。可幸的是在永磁薄膜、新 型高性能 a-
Fe/Nd2Fe14B 型複合磁粉以及高磁能積及高溫型燒結NdFeB磁石的研究成果方面國人的表現卻有過之而無不及。
四、結論
稀 土燒結磁石挾其較強的磁能積及矯頑磁力，而得以使其下游資訊、電子、電機產品達到輕薄短小化或省電化。SmCo5 磁石因磁性較低已少有應用，而Sm2TM17型磁石因磁性較高且居里溫度最高，因而適用於需要抵抗高溫的環境，使用溫度達400oC以上已非難事。 NdFeB磁石磁性最高，已廣泛被應用到一些較低溫的環境(<150 oC)，而最高亦可達到220 oC之高溫，其產量及產值都是目前所有永久磁石之最。
稀土膠磁因為製作容易又可製成薄肉多極化，已成為許多資訊、機電產品之不可或缺之永磁材料。 NdFeB MQ磁石挾其多年來的優勢將繼續主導著稀土膠磁的未來。而在其他需要較高磁性的應用場合，微晶NdFeB， a-Fe/ Nd2Fe14B及 Fe3B/Nd2Fe14B型複合納米晶磁粉有可能逐漸取代NdFeB MQ磁粉，高性能之(Nd，La)9.5-11(Fe,Co, M)balB10-10.5(M=過渡金屬)複合磁粉不僅磁性可高於商用NdFeB MQ磁粉、製程上亦與之相似而具有商用潛力。Sm2Fe17Nx及(Sm，Zr)(Fe，Co)9-10Nx之磁粉雖亦具極佳之磁性，但製程較冗長，大量 滲氮處理較難將會阻礙其應用之可能性。簡而言之，跨越2000年之後稀土膠磁仍將是以Nd2Fe14B為主相的磁粉(如NdFeB MQ、納米晶Nd2Fe14B及複合納米晶NdFeB磁粉)為主流。
參考文獻
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一、前言
從1930 年初永久磁石即為民生、國防工業上一項不可欠缺的材料。時至今日，資訊及消費性電子產品的普及化，永久磁石的高性能化扮演著不可磨滅的角色。永久磁石的發 展歷程如圖 1 所示，由最早的麻田散鐵、到 30 年代的 Alnico（鋁鎳鈷），由於其價格高，矯頑磁力(Hc) 低，無法充份利用其高磁能積。50 年代Ferrite（鐵氧磁體）磁石問世，由於其價廉且矯頑磁力高，至今仍為用量最大的磁石材料。70 年代由於 SmCo（釤鈷）磁石磁性的重大突破，更將永久磁石材料帶入一個「輕、薄、短、小」的紀元，它在民生工業的各種高功率音響喇叭、耳機、麥克風；在機電工業 的各種特殊馬達，發電機、計數器，強力吸盤，無接觸軸承，瓦特計、繼電器；在國防工業的雷達、微波通信機；在醫學工程上的助聽器，人工心臟之驅動器，人造 牙齒之定著器；在儀器工業的電腦，磁性分離器，電子槍等，都佔有舉足輕重的地位。然而，由於釤、鈷原料取得不易，且價格高昂，各國研究人員仍積極尋覓其它 價廉質優且易製作之的稀土永久磁石。
稀土永磁材料以釹鐵硼系及釤鈷系兩大類為代表。其中1983年日本住友及美國通用汽車公司同時宣佈製成 (BH）max大於36 MGOe 之永磁之王的第三代稀土永磁材料---釹鐵硼(NdFeB)燒結及膠結磁石，引起全世界的關注。1986 年住友將燒結磁石往上推進到(BH)max 等於50 MGOe 之巨，到1998年更將磁性提升到55.8 MGOe之世界記錄。商業上，用釹取代釤的優點在於稀土礦中釹藏量約為釤藏量之10 倍，價格較低廉，而鐵取代鈷的優點更顯而易見。由於釹鐵硼磁石的單位能積價格低廉，原料取得容易；以及應用上體積縮小，市場上具有相當大的發展潛力。到 1999年燒結NdFeB及膠結型磁石年總產量已分別達4000噸與1500噸，磁石年總產值則分別為200億及80億台幣之巨，是本世紀末最具應用價值 的功能性材料之一。此豐碩的成果主要得自無數物理學家在新材料長期的探索，以及材料學家在製程上不斷的精進與改良。
在我們所熟知眾多磁性體材料 中，僅具鐵磁性及陶鐵磁性的材料才擁有真正的強磁性。因此，具有實用價值的永久磁石都不出上述二類。具有鐵磁性及陶鐵磁性的物質都會有磁滯曲線 (Hysteresis loop)的產生。而磁滯曲線形狀及大小即代表著磁石材料的優與劣。惟有充份瞭解磁滯曲線的意義，才能有效地發揮它們的特性或作有效的改進。一般表現磁滯 曲線有二種圖型：一為 B-H曲線，另一為 4pM-H 曲線，如圖 2所示。幾個重要指標包括 B-H曲線中的殘留磁束密度Br、矯頑磁力 Hc 或 bHc、磁能積(BH)max；4pM-H 曲線中的最大感應磁化量4pMs、殘留感應磁化量4pMr、本質矯頑磁力iHc。其中矯頑磁力Hc的大小可作為軟磁與硬磁材料的分野。當Hc< 20> 200 Oe 時，材料屬於硬磁或稱永久磁石；而 20
2.3膠結稀土永磁
所 謂膠結稀土永磁就是把稀土永磁材料粉末與樹脂，塑料或低熔點合金膠結劑均勻混合，然後用壓縮、擠出或射出成型方法製成的一種複合永磁材料。現在膠結磁石的 應用領域不斷擴大，用量成長很快，其速度超過其他何一種永久磁石由於這一材料既有塑料固有的特性又有很高的磁性能，正不斷地被應用於新的領域，主要的應用 領域列於表4。
表4. 膠結稀土永磁之應用領域。
應用領域 用 途
旋轉儀器、裝置 各種小型精密電機（例如步進電機、 鐵心電機、 電刷電機等）、小型發電機、定時器轉子、磁軸承等
音響器械 揚聲器、頭戴耳機、耳塞機、微音器（送話器）、拾音器、電磁蜂鳴器
計測通訊 感測器、繼電器、行式印刷裝置、接點元件
儀器裝置 儀表類（速度表、轉速表、安培計、電壓表等）、行波管等
其他機械 磁性彈簧、磁性軋輥、液面感測器、磁性快門
元件 除油污器、磁性聯軸節等
日用品 門鎖、玩具、磁性治療飾品、體育用具等
以下分釹鐵硼及新型稀土永磁合金三大系列膠結磁石及其材料特性作介紹：
2.3.2 釹鐵硼膠結磁石
由 於其具有易薄形化、成品精度高及量產性高等優點，使得其最近幾年之年成長率皆遠超過NdFeB燒結磁石而達到約 15%。稀土膠磁最主要之應用為高級精密小馬達，用於各種資訊、音響、家電產品上。等方性NdFeB膠磁能被應用於小型馬達，有以下幾項理由：(a)具有 約9-10MGOe之高磁能積，有助於電子機器用馬達之小型化 (原先多使用磁能積為3-4MGOe之鐵氧磁石)。 (b)能製作高精度之環狀磁石，使馬達內之間隙縮小並大幅提昇其間之磁束密度。(c)適當之殘留磁束密度(Br)與本質矯頑磁力(iHc)，使磁石著磁能 力得以調變，並達到多極著磁化。(d)等方性磁粉不必經由磁場配向即可成型，成型設備及模具投資便宜。
2.3.2.1. 釹鐵硼 ( NdFeB )MQ磁粉及磁石
鐵 基稀土永磁材料的研究首先從研究R-Fe合金開始，70年代初期用濺射法得到非晶薄膜TbFe2，經處理後顯示出來磁特性。後來又研究了快淬R-Fe系合 金（R=Nd，Pr，Sm，Tb等）及La-Tb-Fe-B合金的磁性，但這些非晶態的合金結晶化以後的磁性能都不變。1983年美國GM用單銅輪熔融旋 淬法製備釹鐵硼合金，並用此種合金碎片製造磁石，取名為Magnequench，簡寫為MQ磁石，使熔融旋淬稀土鐵基永磁進入實用階段。下面簡要介紹釹鐵 硼 MQ磁石的製造方法。首先是製備釹鐵硼 MQ粉末。依成份不同主要產品分成A、B、C、D、N、O六種，特性如表5，其中A、C磁性相近，屬高iHc產品；B、D磁性亦相近，但iHc大小適中、 易於著磁，是目前最常使用的材質。以上述磁粉所製作之產品為等方性磁石，由於製程簡單、磁性佳且不需特殊的模具設計等優點，目前是稀土膠磁中用量最大的材 質。因釹較釤易於氧化，故磁粉的表面處理和磁石之表面塗裝成為不可或缺的步驟。表面塗裝的方式可分為噴塗和電著兩種，而電著是最優良的塗裝方式，由於塗層 均勻，尺寸精度及耐蝕能力皆佳，塗膜厚度以在15~30 mm間較適當。
表5. 六種不同成份NdFeB MQ磁粉及其特性比較。
種 類 Br (kG) iHc (kOe) (kOe) Temp coeff. of Br, a,(%/ oC)(25 oC -100 oC)
MQP-A 7.60 15.0 -0.130
MQP-B 8.20 9.0 -0.105
MQP-C 7.55 16.0 -0.070
MQP-D 8.00 10.5 -0.070
MQP-N 8.00 9.5 -0.130
MQP-O 7.45 12.5 -0.130
2.3.2.2.等方性高磁能積NdFeB磁粉
如 前所述目前商用NdFeB膠磁乃採用快速冷卻法製成之薄帶而加以粉碎之磁粉,稱之為 NdFeB MQ磁粉，其因薄帶內包含著30-60nm左右之等方性NdFeB細晶粒，根據Stoner & Wohlfarth 之理論，一個具單軸異方性之磁性材料當其晶粒接近單磁區大小且彼此間又完全不具交互作用時，該材料之殘留磁束密度 (Br) 最高值僅能達到其飽和磁化量 (4πMs) 之一半。亦即傳統單相 NdFeB MQ (Melt Quench) 磁粉之最大殘留磁化 Br 將不會超過 8 kG (Nd2Fe14B 之 4πMs 為 16 kG)，最高磁能積 (BH)max 也只能達到 16 MGOe 而已。但因所採用之磁粉成份都比Nd2Fe14B有較高之Nd及B，因此其Br及磁能積亦都分別比8 kG及16 MGOe來得低，事實上商用 NdFeB MQ-A 磁粉之最佳磁性為 Br = 7.8 kG, iHc = 15 kOe, (BH)max = 12.5 MGOe。要超越以上磁性目前已被証實有二個方法，即殘留磁化強化(Remanence enhancement)及複合納米晶法(Nanocomposites)。
2.3.2.2.1 殘留磁化強化法
〈Remanence enhancement〉
此 法乃利用具單軸異方性磁晶間所產生之強交互作用力而協助相鄰磁晶磁化不易受反向磁場作用而轉向，此結果將可使得其殘留磁化超越前面所述之飽和磁化值之一 半。惟其晶粒必須更小晶粒間才會有足夠之交互作用力。若以NdFeB為例其晶粒應達10-20 nm其殘留磁化即有可能超過8 kG。但一般NdFeB MQ之晶粒都在30-60nm間，因此在製作薄帶時可以利用Si、V、Cu、Ga、Zr等元素之少量添加來使晶粒微化以提高薄帶之殘留磁化磁能積，經晶粒 微細化之薄帶被証實其磁能積可達20MGOe以上。
表6. 已被發表之複合納米晶磁性材料之組成及磁性相。
成份 磁性相（軟／硬） 軟磁相之體積比 製備方法 4pMs(T) Br(T) iHc(kA/m) (BH)max(Kj/M3)
Nd4Fe80B20Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5Nd3.5Dy1Fe73Co3GaB18.5Nd5.5Fe66Cr5Co5B18.5Nd3.5Fe91Nb2B3.5Nd9Fe85B6Nd9Fe85B6Nd8Fe86B6Nd7.5Fe87B5.5Nd7Fe89B4Sm7Fe93NxSm8Zr3Fe85Co4NxNd9.7Fe84Mo6.3Nd7.2Fe85Mo7.8NxSm11.67Co58.33Fe30SmCo10 Fe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe3B-Fe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BFe/Nd2Fe14BAmo-Fe/Nd2Fe14BFe/Sm2Fe17NxFe/Sm2Fe17NxFe/Nd(Fe, Mo)12NxFe85Mo7.8NxFe/SmCo5Co/Sm2Co17 85%25%40%12% RS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+ARS+AMA+ARS+AMA+AMA+AMA+AMA+A 1.61.421.371.061.841.121.37 1.201.211.180.861.451.091.101.121.011.281.1270.940.800.850.970.94 191340390610215326485458340252310764207281600318 93.112813696.611593.115815799.514620511848101.181.2
(RS:Rapid solidification; A: Annealing)
2.3.2.2.2 複合納米晶法(Nanocomposites)
等 方性磁粉高性能化之另一種方法，即讓磁粉內擁有一部份體積百分比之高飽和磁化軟磁相(如a-Fe、Fe3B等)與Nd2Fe14B相共存，軟磁相之晶粒被 控制在Nd2Fe14B相之磁壁寬度兩倍(10.4nm)左右時，軟硬磁相間會產生極大的交互作用，此作用力會阻礙軟磁相之磁化不易被反向磁場所反轉而有 助於提高此複合納米晶磁粉之殘留磁化並提高磁能積。
一般製作此複合納米晶磁粉有快速冷卻(Rapid quenched)及機械合金(Mechanical alloying)兩種，所製成之材料必然都是完全等方性。表6. 為目前被發表之複合納米晶磁性材料之組成與磁性相、製作方法及其磁性比較(一些非Nd2Fe14B系薄帶亦列於其中比較)。從表中可以看出有許多系列合金 薄帶都具有超越NdFeB MQ磁粉之磁能積(96 kJ/m3或12 MGOe以上)。惟由於軟磁相的存在其本質矯頑磁力都無法達到MQP-B磁粉之水準(720 kA/m或9 kOe以上)。低的矯頑磁力雖然可以使磁粉容易被完全磁化(或磁石容易著磁)，但卻也限制此類磁粉所製成之膠磁得以被廣泛應用於一些馬達磁石上。而 Fe2B-Fe/ Nd2Fe14B系複合磁粉雖有較高之矯頑磁力，但仍比MQP-B磁粉之9 kOe來得低。圖5. 為MQP-B與F3B-Fe/ Nd2Fe14B系磁粉之磁性回復曲線比較，後者磁粉內之軟磁相磁化因受硬磁相磁化之牽引作用而可作可逆反轉，其機構有如彈簧之作用，因此亦被稱為交換彈 性效應磁石(Exchange-spring-magnet)。
2.3.2.2.3. 易著磁性NdFeB磁粉
永久磁石式步進馬達之轉子 磁石為配合磁性旋轉解碼〈Magnetic encorder〉之需求，每極之間必須維持約1mm之距離，在此情況下，以每極一圈線圈並施以高脈衝磁場磁化的方法有其困難度與限制，因此必須開發出低 磁場即能獲得高磁化的硬磁材料。這包括了前述的 a-Fe/ Nd2Fe14B (如Nd8Fe86B6)及Fe3B/ Nd2Fe14B(如Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5)複合納米晶磁粉。圖6. 為幾種稀土膠磁材料在極低的磁場400 kA/m(5kOe)充磁後之磁性比較，從圖中可看出Nd8Fe86B6及Nd4.5Fe73Co3Ga1B18.5都比NdFeB HDDR及等方性NdFeB MQP-B磁粉有較佳之殘留磁束密度及本質矯頑磁力，其磁性己可達到以800 kA/m以上磁場充磁後磁粉磁性的60%左右，此磁性已可滿足多極化磁石之所需(如掃描器內之馬達磁石)，此類複合納米晶磁石是少數可以在極端低磁場下著 磁的稀土磁石，惟較低的矯頑磁力會因溫度上升而產生較大的不可逆磁損失。以Nb添加於Nd8Fe86B6中不僅可提高矯頑磁力，降低溫度係數卻又不犧牲其 著磁特性。其主要原因乃來自於Nb所造成晶粒的微細化。
2.3.2.2.4. 耐熱性Nd2Fe14B系磁粉
汽車內大部份馬達磁石通常都 要求要能使用到180 oC左右之耐熱度，就膠磁而言，除了樹脂之耐熱性外，磁粉溫度係數 (aＨ)約在 -0.5%／K~-0.6%／K之間，比SmCo系的 -0.3 %／K 還要差。但是等方性磁粉如NdFeB MQ 磁粉的aＨ為 -0.４%／K約為異方性磁石的2/3。又晶粒間較強的交互作用力將可以有效降低 aＨ，而其主要即決定在於晶粒是否足夠微細化。最近，在Nd11.5Fe82.5B6中以Nb取代少量的Fe製成之超冷薄帶，其不可逆減磁率獲得極明顯之 改善，而iHc卻沒有下降 (88~112 kA/m)。此材料所製作之磁石aＨ約為-0.31~-0.35%／K，被認為有可能使用到180 oC 之環境。另外Fe2B／Nd2Fe14B系複合納米晶磁石Nd5.5Fe66Co5Cr5.5B18.5的aＨ為-0.32%／K，iHc為610 kA/m左右亦具有極高之耐熱性。這些磁石未來都可望逐漸被應用到汽車內之馬達上。
2.3.2.2.5. 高矯頑磁力複合納米晶磁粉
前面 已提及隨著軟磁與硬磁相間交換作用力的提升，磁粉之 Br 及 (BH)max 會增加，但iHc ( 或Hcj ) 確會隨之下降。然而提高 iHc 將有助於磁石之應用及較高溫下之使用。本實驗室在低稀含量(9-11 at%)及高硼含量(10-11 at%)之NdFeB合金中，利用少部份的過渡金屬 (Cr) 取代 Fe，可以成功的使半穩定的 Fe3B 相分解出 a-Fe 相(並壓抑 Nd2Fe23B3 )，並形成更多之 2:14:1 硬磁相。又利用少量先前採用之 La 取代一些 Nd 來抑制晶粒之成長，而可獲得僅具 a-Fe 與 (Nd,La)2(Fe,Cr)14B 之兩磁性相合金及少量富鉻相存在於晶界間。由於晶粒獲得細化及單純的兩相使得磁性体內a-Fe與(Nd,La)2(Fe, Cr)14B兩相間之交換作用力增加而提高 Br，僅管 La 與 Cr 的加入都稀釋了一些磁化。又因為晶界間有富鉻相的存在，稍微隔離了晶粒及其對晶界產生之平滑作用而提高了矯頑磁力(iHc)，最佳磁性得以從Br = 8.0 kG, iHc = 5.5 kOe, (BH)max = 10.2 MGOe 提高至 Br = 8.3 kG, iHc = 9.1 kOe, (BH)max = 12.5 MGOe。經以(Nd0.95La0.05)9.5-11Febal.Cr2B10薄帶進行最佳化後更獲得了Br = 8.6-9.7 kG, iHc = 9.1-13.2 kOe, (BH)max = 13-18 MGOe的高Br、超高iHc及超高磁能積之a-Fe/ Nd2Fe14B型複合磁粉。其磁性可超過目前NdFeB MQ磁粉之磁性。圖 7. 為(Nd0.95La0.05)7.5+xFebal.Cr2B10 之去磁曲線比較。又於(Nd0.95La0.05)9.5Fe80-xCoxCr2B10.5以Co取代一部份的Fe達x=10時磁性更可達Br= 10.4 kG, iHc=9.5 kOe, (BH)max=19.8 MGOe之值。其不可逆磁損及溫度係數亦可達到目前商用膠磁粉之水準以上。最近之研究結果證明其它的耐火元素, 如Mo, Ti, V, Nb, 亦和 Cr一樣有相同甚或更佳之效果。
2.3.2.2.6. NdFeB HDDR磁粉(異方性)
等方性磁石之優點如前所述是異方性磁石所無法 完全取代的，而惟一的缺點即為磁性較低，目前異方性之膠磁以SmCo5系(8.5-9.5 MGOe)及Sm2(Co、Fe、Cu、Zr)17系(13-17 MGOe)為主，前者主要以射出型為主，後者主要以壓縮成型為主。表 7. 為稀土膠磁可能使用之各種硬質磁性材料磁特性及其磁能積之理論極限值。其中 (Sm, Zr)(Fe, Co)10Nx有最大的飽和磁化值1.7 Tesla，惟其乃由超急冷(rapid quenched)的方式獲得半穩態的TbCu7結構，只能成為等方性磁石，因而異方性膠磁磁粉還是以Nd2Fe14B系為主。但是Nd2Fe14B之結 晶異方性場為5.6 MA/m (70KOe)，單磁區粒子相當的小(約0.3 mm)非常難以傳統粉碎方式製作那麼細的粉体而不會氧化(甚至於自燃)。因此，如何製作出粉體較粗且又可利用磁場配向之微晶集合體是必要的方法。日本三菱 材料之武下等人則以HDDR方式達到上述之目的，其詳細之過程包括以Nd2(Co, Fe, Ga, Zr)14B系合金經(1) 900-1200 K下通以0.1MPa H2予以吸氫處理(2)在上述處理中2：14：1相分解成NdH2、a-Fe及F2B(3)在900-1200K下將H2從粉體中吸出(4)H2被吸出後 2：14：1相再次形成。一般NdFeB合金所製作之磁粉經HDDR製程後都只具有等方的特性，但很特別的是若合金含有Ga及Zr，在處理過程中合金粉體 被細化，添加的Ga、Zr等元素會成為再形成2：14：1相之成核種子，因此重新形成之2：14：1細磁粉得以保有原先粗粉之方向性，亦即為有用之異方性 磁粉。以此異方性磁粉可製成磁能積21 MGOe之壓縮磁石及16 MGOe之射出型磁石。
表7. 各種稀土膠磁用磁性材料特性及磁能積理論極限值。
化合物 Tc(K) 4pMs(T) Ha(MA/m) (BH)*maxTheoretical (kJ/M3)Real
SmCo5Sm2Fe17N3 988747 1.141.57 2220 259493 96(A)176(A)
Nd2Fe14B(Sm, Zr)(Fe, Co)10Nx 588- 1.601.70 5.66.2 509575 175(A)
Fe65Co35/Sm2Fe17N3SmCo5/Sm2Co17Fe3B/Nd2Fe14Ba-Fe/Nd2Fe14Ba-Fe/SmFe7Nx ----- 2.351.481.601.85- ----- 1090436300(I)400(I)- 164(I)66.1(I)93.4(I)80(I)
( A：異方性；I：等方性)
2.3.3 新型稀土膠磁粉之研究
目前之商用稀土膠磁粉以SmCo5及Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17 及NdFeB MQ系為主，最近幾年新材料之研究被認為最有可能商業化的包括Sm2Fe17Nx及(Sm，Zr)(Fe，Co)10Nx磁粉。
2.3.3.1. Sm2Fe17Nx系異方性磁粉
Sm2Fe17N3 為結晶異方性場相當大之材料，若以磁性來比較，它具有與Nd2Fe14B系HDDR異方性磁粉幾乎並駕其驅的高特性，例如其異方性壓縮磁石磁能積可達 21MGOe，射出磁石磁能積亦可達17MGOe，是相當具有商用價值的新型磁粉，惟由於它在使用時必須先予以微粉作業，而易造成本質矯頑磁力(iHc) 的降低，為防止該現象的發生造成特性上之衰減，而有以Zn粉做為粉體間之結合材料，亦可利用Zn在高溫下先行熔解而覆蓋Sm2Fe17N3磁粉減低其表面 因粉碎所造成之缺陷，iHc因而得以維持較高之值。另外亦有利用真空蒸鍍法在Sm2Fe17Nx微粉上覆蓋薄薄一層Zn，再利用該粉體製成異方性膠磁。有 蒸鍍Zn與未蒸鍍Zn之磁粉iHc經時變化比較，前者在120 oC 的大氣之下長時期仍然保持穩定之iHc，而後者則迅速衰退。本系列磁粉在磁性上是具有極高商用潛力的材料，惟在製作磁粉上必須先製成Sm2Fe17粉體再 予以適量滲氮處理使N原子擴散到晶胞內之八面體中心，因為N的作用使其延晶胞C軸方向產生磁異方性及極高之飽合磁化亮。在大量生產方面是比先前NdFeB 系HDDR及快速冷卻法(MQ)來得不經濟，其是否能被商業化有待考驗。
2.3.3.2. (Sm，Zr)(Fe，Co)10Nx
此系合 金粉為目前所開發出之磁石合金中具有最高飽和磁化量(1.7 T)之材料 (如 表7. 所列)，其製作方法與Sm2Fe17Nx稍有差異。首先是利用快速冷卻法製成(Sm，Zr)(Fe，Co)10之合金薄帶，再經過退火獲致較佳之晶粒，最 後再予滲氮`理以產生足夠之iHc。其主相為半穩定的TbCu7結構，磁粉中包括了許多納米級的等方性微晶組織，有別於Sm2Fe17Nx的單結晶單磁區 磁粉，最終只能作成等方性磁石，由於其本身的高飽和磁化及微晶間之交互作用力而能獲致高磁能積。(Fe，Co)/(Sm，Zr)之比例 (Z) 對該磁粉之磁特性有明顯之影響，如 圖8. 所示，在 Z=9 左右可得到最佳之Br及(BH)max值，但iHc只能達7KOe左右。其中(Sm0.75Zr0.25)(Fe0.7Co0.3)9Nx之磁性質為Br =1.06 T，iHc=7.1 kOe，(BH)max=18.5 MGOe，與 a-Fe/Nd2Fe14B 複合納米晶磁粉之磁性相當。
三、國內之研究
1. 研究機構:
1977 年由金屬工業研究所開始研究Sr系異方性Ferrite及FeCrCo磁石。1984年起由中科院材發中心及工業技術研究院材料研究所開始研究 SmCo5、 Sm2TM17及NdFeB磁石等稀土磁石技術。而材料,機械及光電研究所分別從1988年起研究磁路分析及應用設計技術，時至今日僅賸下磁路分析及應用 設計技術在研究機構繼續進行著。
2. 大學:
清大材料所在稀土永磁相關之研究從以前到目前包括了Sm2TM17 、NdFeB 、Sm2Fe17Nx、 NdFeB nanocomposites及NdFeB & ferrite thin films。最近幾年主要以NdFeB nanocomposites薄帶及 NdFeB & ferrite thin films為主。逢甲大學材料所之研究則包括了Sm2TM17、 SmCox 磁粉、Sm2Fe17Nx及 NdFeB thin films。台大材料所則以Sr-ferrite、 MnAlC & PtFe thin films 為主。成大材料所亦以磁膜研究為主包括了PtCo & PtFe thin films等。中正大學物理所之研究範圍包括了1:12 型nitride、 Sm2Fe17Nx、NdFeB & Sr-ferrite thin films、新型高性能 a-Fe/Nd2Fe14B 型複合磁粉以及高磁能積及高溫型燒結NdFeB磁石，最近幾年則以後兩者之研究主題為重點。總体而言，目前以納米晶稀土磁粉之研究僅賸清大材料所及中正物 理所兩處。而高性能燒結磁石之研究則僅中正物理所一處。國人在高性能稀土永磁材料之研究所投入之人力大約僅佔中國大陸之5%而已。可幸的是在永磁薄膜、新 型高性能 a-
Fe/Nd2Fe14B 型複合磁粉以及高磁能積及高溫型燒結NdFeB磁石的研究成果方面國人的表現卻有過之而無不及。
四、結論
稀 土燒結磁石挾其較強的磁能積及矯頑磁力，而得以使其下游資訊、電子、電機產品達到輕薄短小化或省電化。SmCo5 磁石因磁性較低已少有應用，而Sm2TM17型磁石因磁性較高且居里溫度最高，因而適用於需要抵抗高溫的環境，使用溫度達400oC以上已非難事。 NdFeB磁石磁性最高，已廣泛被應用到一些較低溫的環境(<150 oC)，而最高亦可達到220 oC之高溫，其產量及產值都是目前所有永久磁石之最。
稀土膠磁因為製作容易又可製成薄肉多極化，已成為許多資訊、機電產品之不可或缺之永磁材料。 NdFeB MQ磁石挾其多年來的優勢將繼續主導著稀土膠磁的未來。而在其他需要較高磁性的應用場合，微晶NdFeB， a-Fe/ Nd2Fe14B及 Fe3B/Nd2Fe14B型複合納米晶磁粉有可能逐漸取代NdFeB MQ磁粉，高性能之(Nd，La)9.5-11(Fe,Co, M)balB10-10.5(M=過渡金屬)複合磁粉不僅磁性可高於商用NdFeB MQ磁粉、製程上亦與之相似而具有商用潛力。Sm2Fe17Nx及(Sm，Zr)(Fe，Co)9-10Nx之磁粉雖亦具極佳之磁性，但製程較冗長，大量 滲氮處理較難將會阻礙其應用之可能性。簡而言之，跨越2000年之後稀土膠磁仍將是以Nd2Fe14B為主相的磁粉(如NdFeB MQ、納米晶Nd2Fe14B及複合納米晶NdFeB磁粉)為主流。
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